свойства планарных джозефсоновских переходов
№э/а-81/№э с различной степенью легирования
а-яьпрослойки
А. Л. Гудков"*, М. Ю. Куприяновь, А. Н. Самусьа
"' ЗА О " КомпэлстГ , ФГУП " НИИФП им. Ф. В. Лукина '' 124460, Москва, Зеленоград, Россия
ь Научно-исследовательский институт ядерной физики им.. Д. В. Скобельцина, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова 119992, Москва, Россия
Поступила в редакцию 29 июля 2011 1".
Представлены результаты экспериментальных исследований свойств планарных джозефсоновских переходов КЬ/о-БЬ'КЬ с различной степенью легирования прослойки из аморфного кремния. В качестве легирующей примеси был использован вольфрам. Мы показали, что при изменении степени легирования о-Бьпрослойки свойства джозефсоновских переходов полностью меняются. Изменяется механизм транспорта тока и изменяется форма вольт-амперной характеристики таких переходов. В случае полностью вырожденной о-Бьпрослойки были получены джозефсоновские переходы с непосредственной проводимостью БМБ-типа. Свойства таких переходов описываются классической резистивной моделью. В случае меньшей степени легирования о-Бьпрослойки были получены джозефсоновские переходы, в которых наблюдался резонансный механизм транспорта тока через примесные центры. Продемонстрировано изменение высокочастотных свойств таких переходов. Проведенные исследования показали, что эти переходы наиболее близки к джозефсоновским переходам БИМ^-типа.
1. ВВЕДЕНИЕ
Современный этап развития элементной базы сверхпроводниковой электроники настоятельно требует новых технологических подходов к процессу формирования джозефсоновских переходов. Имевшиеся ранее решения [1,2], базирующиеся на туннельных структурах сверхпроводник (S) диэлектрик (I) сверхпроводник (S) уже сравнительно давно перестали удовлетворять требованиям, предъявляемым к целому ряду устройств, включая быструю одноквантовую логику [3] и программируемые стандарты напряжения [4,5]. Попытки заменить структуры SIS структурами SNS- или SINIS-типов, в которых слабая связь была локализована в области нормальной (N) металлической прослойки, также но привели к существенным прорывам.
Наиболее сложной задачей в развитии технологии SNS-пороходов оказалась проблема выбора материала с нормальной проводимостью. Такой N-ме-
E-mail: gudkov'fflniifp.ru
талл должен одновременно удовлетворить двум взаимно противоречащим требованиям. С одной стороны, для обеспечения больших плотностей критического тока при технологически разумной толщине нормальной прослойки он должен обладать большой эффективной длиной когерентности £дг, т.е. быть низкоомным. С другой стороны, для предотвращения существенного подавления сверхпроводимости в Б-электродах его транспортные свойства обязаны быть существенно хуже по сравнению с аналогичными параметрами сверхпроводников [6]. Имеющийся набор материалов (например, сплавы Рс1Ап, ИХ [7,8]) оказался крайне скуден. При этом величина в таких структурах не превышала нескольких нанометров и была сравнима с характерным размером шероховатости границ переходов.
Для практических применений 81М1Б-контактов важно было в процессе их изготовления сохранить примерное равенство прозрачности входящих в них границ [9]. Во всех имевшихся материалах барьеры формировались путем окисления алюминия. Ока-
далось, что существенное различие в морфологии А1-пленки, входящей в состав Б-электрода, и пленки, расположенной между диэлектрическими слоями, позволяет достичь требуемой симметрии лишь в случае барьеров малой прозрачности [10 14].
Естественным выходом в создавшейся ситуации является переход к структурам с резонансным характером проводимости в области слабой связи. Первые структуры подобного типа были изготовлены сравнительно давно [15,16] и даже были использованы в качестве рабочих элементов в устройствах с одиночными переходами [17]. Однако уровень развития технологической базы и степень разработки фундаментальных основ электронного транспорта в резонансных структурах в то время не позволяли перейти к изготовлению устройств даже среднего уровня интеграции.
Открытие высокотемпературной сверхпроводимости существенно стимулировало фундаментальные исследования процессов резонансного тупиели-рования в джозефсоновских структурах с прослойками из полупроводниковых оксидов как в теоретической, так и в экспериментальной областях [18 21]. Это создало хорошую базу для современного этапа исследования процессов в низкотемпературных резонансных джозефсоновских структурах [22].
В области гелиевых температур па основе ни-обиевой технологии уже в первых попытках получения планарных ЭМБ-переходов с кремниевой прослойкой удалось достичь практически значимых величин их основных параметров [15]: нормальное сопротивление перехода (Дд') больше 1 Ом и характерное напряжение (1'с = /сДдг) до 1 мВ. Это послужило веским основанием для дальнейшего развития технологии формирования джозефсоновских переходов с кремниевой прослойкой и исследования механизмов транспорта тока в таких структурах. Позднее наилучшие характеристики были достигнуты на торцевых джозефсоновских переходах \Ь \Ь
[23,24]. В этих переходах а-Бьпрослойка легировалась методом диффузии атомами N1) до полного вырождения полупроводника. Торцевые переходы демонстрировали высокие плотности тока до 105 А/см2 и выше. Благодаря полному вырождению а-Бьпрослойки до металлической проводимости нормальное сопротивление джозефсоновских переходов практически не зависело от температуры. При этом удельное сопротивление материала прослойки (рд') было намного больше удельного сопротивления ниобия (ря)- Поэтому подавление сверхпроводимости в ииобиевых электродах было пренебрежимо мало и параметр порядка на границе с
a:-Si-npoc.nofiKofi оставался таким же, как и в глубине ниобиевого электрода. Этим Nb/a-Si/Nb-nopoxoflbi выгодно отличались от других конструкций джозефсоновских переходов, в которых в качестве прослойки использовались чистые металлы или металлические сплавы. Торцевые джозефсоиовские переходы демонстрировали высокие значения Vc вплоть до 1 мВ. Вольт-амперные характеристики переходов были однозначные и в области нормального сопротивления имелся избыточный ток (1СХ). Поэтому Nb/a:-Si/Nb-nopoxoflbi были отнесены к переходам SNS-типа. Зависимости критического тока от температуры (/С(Т)) также были характерны для SNS-переходов.
Перспективность использования джозефсоновских структур с прослойкой из легированного кремния в сверхпроводниковой электронике не вызывает в настоящее время никаких сомнений [25 33]. Однако, несмотря на значительные успехи в решении технологических проблем, связанных с их изготовлением, вопрос о физических механизмах транспорта тока в таких структурах остается до настоящего времени открытым.
Именно на изучение этих механизмов и направлена данная работа. В ней мы провели исследования электрофизических характеристик планарных джозефсоновских переходов Nb/a-Si/Nb. В отличие от используемой в работах [26 32] и опробованной нами ранее [15,23] прослойки из легированного ниобием аморфного кремния, в качестве материала слабой связи мы использовали аморфный кремний, легированный вольфрамом методом сораспыленпя материалов. Такая замена позволила существенно упростить контроль за технологическими процессами изготовления структур на всех их стадиях и изготовить на основе разработанной технологии микросхемы для джозефсоновского стандарта напряжения с числом переходов на чипе, превышающим несколько тысяч активных элементов.
2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ
Современные технологические методы позволяют изготавливать различные джозефсоиовские переходы с высокими значениями основных электрических параметров. Однако для получения джозефсоновских переходов с хорошей воспроизводимостью параметров необходимо выполнить ряд технологических требований. Достаточно жесткие требования предъявляются к энергетике технологических процессов и к воспроизводимости параметров отдельных слоев сверхпроводииковой гетерострукту-ры. Чистота и энергетика технологических процес-
Ч + \ i »1 i, 1 Г г
ч-в»Щ
1г *
% 110 нм 1 i
Рис. 1. Структура джозефсоновского перехода сформированного в магнетронной системе распыления: а — морфология поверхности пленки базового МЪ-электрода, б— ПЭМ-изображение структуры в разрезе
сов должны обеспечивать чистоту и атомарную резкость границ раздела как при формировании исходной гетероструктуры, так и по окончании всего цикла изготовления сверхпроводниковой интегральной схемы.
Воспроизводимость параметров планарных переходов зависит от качества поверхности нижнего ниобиевого электрода. Требования к морфологии поверхности нижнего электрода сводятся к величине шероховатости поверхности ниобиевой пленки (5). Величина шероховатости должна быть намного меньше толщины а-Эьпрослойки <С (Г). Мы провели исследование морфологии поверхности пленок N1), полученных методом магнетронного распыления ниобия, который мы использовали для формирования сверхпроводниковой гетероструктуры. На рис. 1а представлен результат исследова-
ния поверхности пленок Nb, полученный с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ). Как следует из представленного результата, энергетика процесса магнетронного распыления позволяет получать пленки Nb, у которых шероховатость поверхности не превышает 0.5 нм. Это означает, что при d > 5 нм планарные джозефсоновские переходы будут иметь удовлетворительную воспроизводимость параметров.
Магнетронный метод является достаточно низкоэнергетическим методом осаждения тонких пленок. Он позволяет получать практически аморфные пленки из тугоплавких материалов. Благодаря высокой скорости распыления материалов аморфные пленки получаются достаточно чистыми в обычных вакуумных условиях. Слои аморфного кремния также формировались методом магнетронного распыления. Если в торцевых переходах а-Si-прослойка легировалась методом диффузии Nb в a-Si, то теперь легирование a-Si-прослойки осуществлялось в процессе ее формирования методом сораспыления материалов Si и W из мозаичной мишени. Такой метод позволяет жестко фиксировать концентрацию W в a-Si-прослойке.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.